LED失效分析及解決方案.doc

LED失效分析及解決方案一、高效照明LED產(chǎn)品的市場良好中國是照明產(chǎn)品的生產(chǎn)和消費(fèi)大國，節(jié)能燈、白熾燈產(chǎn)量均居世界首位，2010年白熾燈產(chǎn)量和國內(nèi)銷量分別為38.5億只和10.7億只。據(jù)測算，中國照明用電約占全社會用電量的12%左右，如采用高效照明產(chǎn)品替代白熾燈，節(jié)電效益明顯。2011年11月7日，國家發(fā)改委、商務(wù)部、海關(guān)總署、國家工商總局、國家質(zhì)檢總局聯(lián)合印發(fā)關(guān)于逐步禁止進(jìn)口和銷售普通照明白熾燈的公告，決定從2012年10月1日起至2016年9月30日，按功率大小分階段逐步禁止進(jìn)口和銷售普通照明白熾燈。采用高效照明產(chǎn)品替代白熾燈，推動了高效照明產(chǎn)品的普及應(yīng)用和全社會照明節(jié)電意識的普遍提高，促進(jìn)了半導(dǎo)體照明技術(shù)的快速發(fā)展及半導(dǎo)體照明產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。二、LED產(chǎn)品特點(diǎn)作為高效照明的LED產(chǎn)品，作為一種固態(tài)的半導(dǎo)體冷光源，有傳統(tǒng)光源所不具備的多種優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)起來有以下幾項(xiàng)：1、高節(jié)能相同照明效果下比傳統(tǒng)光源可節(jié)能60%以上； 2、長壽命LED光源是固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)也沒有松動的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點(diǎn)，特別是最近出現(xiàn)的LED芯片倒裝工藝的，在LED封裝時實(shí)現(xiàn)了無金線封裝，更是增加了其抗機(jī)械沖擊能力，使用壽命可達(dá)5萬小時以上，比傳統(tǒng)光源壽命長10倍以上；3、利于環(huán)保LED是一種綠色光源，環(huán)保效益更佳。光譜中沒有紫外線和紅外線，熱量低和無頻閃，無輻射，而且廢棄物可回收，沒有污染不含汞元素，屬于典型的綠色照明光源；4、方便組合用于照明的LED單顆功率目前在0.03W3W之間，可以通過非常簡單的合理串聯(lián)和并聯(lián)實(shí)現(xiàn)任意功率等級的照明產(chǎn)品；5、色彩豐富對于要求有色彩變換的場合，紅綠藍(lán)三色的LED可以通過功率的配比實(shí)現(xiàn)任意顏色。相比傳統(tǒng)燈具用濾光片的方法要靈活，并且傳統(tǒng)燈具在使用濾光片時更會產(chǎn)生大量的光損，而LED只是調(diào)節(jié)三色的比例，所以LED在節(jié)能上更具優(yōu)勢。三、LED產(chǎn)品失效原因分析常規(guī)LED驅(qū)動電源的損壞來自于輸入電源的過電沖擊、負(fù)載端的短路故障以及元器件的性能選擇不合理造成。輸入電源的過電沖擊往往會造成驅(qū)動電路中的芯片、電容等元器件的擊穿損壞，負(fù)載端的短路故障則可能引起驅(qū)動電路的過電流驅(qū)動，驅(qū)動電路中會出現(xiàn)短路損壞貨有短路故障導(dǎo)致的過熱損壞。以上這幾方面的原因都會造成LED芯片無法驅(qū)動，造成LED燈具熄滅，但通常不會造成LED產(chǎn)品的損壞。排除掉LED驅(qū)動電源的故障原因，LED的長壽命是基于其安全的工作環(huán)境，對LED產(chǎn)品來說，光衰和死燈是目前其失效最主要的兩種模式，死燈現(xiàn)象在大功率的戶外路燈、隧道燈、投光燈燈出現(xiàn)的幾率更高。對LED照明來講，過電沖擊（LED上施加的電流超過該LED技術(shù)數(shù)據(jù)手冊中的最大額定電流，包括過壓引起的沖擊）和過熱損傷（工作溫度超過額定溫度范圍）兩個原因是造成光衰和死燈的主要原因，這些損壞可以表現(xiàn)為LED器件的立即失效，也可能發(fā)生在一段時間后失效，縮短了LED工作壽命。四、LED燈具產(chǎn)品失效的解決方案1、LED驅(qū)動電源的故障解決方式對LED的電源進(jìn)行防雷、濾波電路的設(shè)計(jì)，并考慮關(guān)鍵元器件選用品質(zhì)較高的元器件，拓展電路的功能，優(yōu)化電路參數(shù)，進(jìn)行電路的高低溫、絕緣耐壓、雷擊保護(hù)、過流保護(hù)、短路/斷路的保護(hù)測試等。2、優(yōu)化LED產(chǎn)品輸出結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)多數(shù)LED燈具產(chǎn)品均采用10串多并的芯片組合模式，即使LED芯片有一組損壞，其它并聯(lián)回路的LED芯片也可以正常點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)照明。3、LED產(chǎn)品的過熱解決方案 LED產(chǎn)品特別是大功率集成芯片存在較大的發(fā)熱量，如不能及時予以散熱，會導(dǎo)致芯片的實(shí)際工作溫度較高，超出其工作溫度范圍。LED的光衰或其壽命是直接和其結(jié)溫有關(guān)，散熱不好結(jié)溫就高，壽命就會縮短，從cree公司發(fā)布的光衰與結(jié)溫的關(guān)系圖（下圖）來看，結(jié)溫如果控制在65，那么其光衰至70%的壽命可以高達(dá)10萬小時。遺憾的是，現(xiàn)在LED燈具的實(shí)際散熱效果與這個要求相差太多。圖1 光衰與結(jié)溫的關(guān)系LED發(fā)熱的原因是因?yàn)樗尤氲碾娔懿]有全部轉(zhuǎn)化為光能，而是有一部分轉(zhuǎn)化為熱能。除去芯片內(nèi)部的熱的輻射和傳導(dǎo)外，芯片的散熱經(jīng)由以下途徑：（1）LED芯片到鋁基PCB板在LED芯片焊接到鋁基PCB板上時候，應(yīng)保持芯片底部的散熱部位與PCB的銅箔保持嚴(yán)密接觸，在這其中涂覆一些導(dǎo)熱膠并用手將芯片壓緊在鋁基板上，然后焊接芯片的引腳。鋁基PCB板的主要作用為熱傳導(dǎo)，將芯片發(fā)出的熱量迅速地傳導(dǎo)到散熱器上。（2）鋁基板與散熱器的配合對于大功率LED產(chǎn)品來說，鋁基板的面積較大，在組裝時更應(yīng)注意保持鋁基板與散熱器的密切接觸，在涂覆導(dǎo)熱膠后，并通過螺釘壓緊固定。但如果散熱器的表面出現(xiàn)凹凸不平，就會形成空氣隙，而空氣隙的熱阻會很大，所以必須用導(dǎo)熱膠來填充空隙，但選用的導(dǎo)熱膠流動性要好，不然的話，由于涂抹不均勻仍然會產(chǎn)生氣隙，可能比不用還壞。導(dǎo)熱膠的另一缺點(diǎn)就是本身的粘行不足以把鋁基板固定在散熱器上，所以在實(shí)際使用中應(yīng)使用螺釘擰緊固定鋁基板。（3）散熱器的散熱外形與散熱設(shè)計(jì)散熱意思就是把熱量從散熱器表面散發(fā)到空氣中去。熱量的散發(fā)有兩種途徑：對流和輻射。這兩種情況都要求散熱器有較大的表面積，現(xiàn)多說散熱器均設(shè)置成鰭片形式。對于散熱器來說，除了加大散熱面積外，如何加速空氣的對流是很重要的，尤其是LED路燈這類安裝在室外的路燈更為重要。由于室外的風(fēng)向是不定的，為了在各種風(fēng)向情況下都有很好的對流，最好采用針狀鰭片散熱。（4）LED過熱的電路保護(hù)在LED照明中，根據(jù)燈具應(yīng)用場合的不同可以采用不同的過熱保護(hù)模式，通常分為兩種：一種方式為達(dá)到溫度立即啟動關(guān)斷保護(hù)，此種保護(hù)通常在一些道路交通信號燈上使用；另一種方式為一定溫度啟動保護(hù)，進(jìn)行降電流驅(qū)動，此種保護(hù)通常應(yīng)用于室內(nèi)照明和道路、隧道照明。4、LED產(chǎn)品的過壓保護(hù)LED作為一種半導(dǎo)體器件，主要參數(shù)有正向壓降Vf、正向?qū)娏鱅f、發(fā)光效率等，這其中有兩個平時常被忽視的參數(shù)即反向耐壓Vr和最大反向漏電流Ir兩個參數(shù)。如下圖2所示為LED工作的電流與電壓（I-V）特性圖。發(fā)光二極管具有與一般半導(dǎo)體二極管相似的輸入伏安特性曲線，下面分別對圖中所示的各段進(jìn)行說明：（1）OA段：正向死區(qū)VA為開啟LED發(fā)光的電壓，紅色（黃色）LED的開啟電壓一般 0.20.25V，綠色（藍(lán)色）LED的開啟電壓一般為0.30.35V。 （2）AB段：工作區(qū)在這一區(qū)段，一般是電流隨電壓增加而增加，亮度也隨之增大，但要注意的是如果不加任何保護(hù)，當(dāng)正向電壓增加到一定值后，其正向電壓會減小，而正向電流會加大。如果沒有保護(hù)電路，LED會因電流增大而被燒壞。（3）OC段：反向死區(qū)給LED加反向電壓它是不會發(fā)光的（即不工作的），但有反向電流，這個反向電流通常很小，一般為幾A，最大不超過10A。（4）CD段：反向擊穿區(qū) LED的反向電壓一般不要超過10V，最大不得超過15V。超過這個電壓，就會出現(xiàn)反向擊穿，導(dǎo)致LED報(bào)廢。圖2 LED工作的電流與電壓（I-V）特性圖當(dāng)LED正常工作時，反向耐壓Vr和最大反向漏電流Ir這兩個參數(shù)是可以不用關(guān)心，但是在電壓脈動、驅(qū)動電源開關(guān)機(jī)、雷擊浪涌時，如果施加在LED兩端的電壓超出這兩個參數(shù)的標(biāo)稱值，是LED產(chǎn)生不可逆損傷并表現(xiàn)為光衰的主要原因。圖3正常的無反向保護(hù)二極管LED等效電路圖。圖4是LED被反向損傷后的等效電路圖。由圖可見，當(dāng)LED被反向電壓和電流損傷后，加到LED兩端的電流會有一部分流過Rx，這一部分能量只用來發(fā)熱而不再發(fā)光，從而形成LED的光衰。并且當(dāng)損傷越嚴(yán)重，Rx的電阻值越小，當(dāng)Rx接近零歐姆時，LED表現(xiàn)為短路狀態(tài)，不再發(fā)光。 圖3 正常的無反向保護(hù)二極管LED等效電路圖圖4 LED被反向損傷后的等效電路圖為保護(hù)LED不被擊穿損傷，在LED二極管的兩端并聯(lián)一個反向保護(hù)二極管，圖5是正常的帶反向保護(hù)二極管LED